黃向東 權(quán)重民

一、前言

對(duì)于大多數(shù)工程施工項(xiàng)目，如水電工程、風(fēng)電工程、光伏發(fā)電工程、水環(huán)境治理工程等，因?yàn)轫?xiàng)目地點(diǎn)偏僻交通不便，或者距離工程建設(shè)管理人員辦公地點(diǎn)較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，若想加強(qiáng)對(duì)工程建設(shè)項(xiàng)目的管控，需要投入大量的人力、財(cái)力，并且效果往往還不盡人意。因此，能否借助物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星定位、視頻監(jiān)控、移動(dòng)互聯(lián)、GIS等新興技術(shù)，開發(fā)工程施工管控信息系統(tǒng)并投入應(yīng)用，讓工程建設(shè)管理人員定期甚至實(shí)時(shí)掌握工程施工項(xiàng)目的人員機(jī)械投入情況、形象進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程建設(shè)項(xiàng)目的管控，有效地節(jié)省人力、財(cái)力的投入，已成為工程建設(shè)管理人員的迫切需求，同時(shí)也是信息技術(shù)人員探索和嘗試的方向。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起和成熟，一些行業(yè)開展了基于物聯(lián)網(wǎng)的化工園區(qū)應(yīng)急管理、倉(cāng)庫(kù)設(shè)備管理、智慧路燈管理等管理信息系統(tǒng)的研發(fā)。由于工程施工項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)往往既難以保證物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用城市電網(wǎng)，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)也受到許多限制，加之工程施工現(xiàn)場(chǎng)常遇到雨水、灰塵、噪聲等條件對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生不利影響，使得將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在工程施工建設(shè)項(xiàng)目中遇到眾多挑戰(zhàn)。本文分享這些挑戰(zhàn)的應(yīng)對(duì)方案。

二、系統(tǒng)的架構(gòu)和功能

（一）系統(tǒng)目標(biāo)

工程施工管控信息系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是，基于“智慧工地”和“互聯(lián)網(wǎng)+”理念，將物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星定位、視頻監(jiān)控、移動(dòng)互聯(lián)、GIS等新興技術(shù)應(yīng)用于對(duì)傳統(tǒng)工程建設(shè)項(xiàng)目的管理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)各類管理人員對(duì)各工程建設(shè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視，有效地提高企業(yè)對(duì)工程建設(shè)項(xiàng)目的施工人員、施工機(jī)械、現(xiàn)場(chǎng)形象進(jìn)度等方面的直觀掌控，使企業(yè)在行業(yè)中的管理優(yōu)勢(shì)得到提升，同時(shí)為工程建設(shè)項(xiàng)目工作量評(píng)定及定額結(jié)算提供定性的參考。

（二）系統(tǒng)總體架構(gòu)

工程施工管控信息系統(tǒng)的用戶層主要包括：建設(shè)單位、管理單位、各類檢查人員和相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，操作采用瀏覽器的方式進(jìn)行。

工程施工管控信息系統(tǒng)的應(yīng)用層主要包含6個(gè)子系統(tǒng)：基礎(chǔ)GIS信息應(yīng)用、基本信息管理子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、人員機(jī)械定位子系統(tǒng)、形象進(jìn)度管理子系統(tǒng)、后臺(tái)運(yùn)維管理子系統(tǒng)。

工程施工管控信息系統(tǒng)的支撐層由GIS平臺(tái)、中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等應(yīng)用支撐軟件組成。GIS平臺(tái)提供了對(duì)地理空間數(shù)據(jù)的管理、維護(hù)、操作、顯示、分析和建模等一系列與空間位置相關(guān)的服務(wù)。中間件支持應(yīng)用層相關(guān)系統(tǒng)快速靈活的構(gòu)建和部署。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)支持對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（照片、文檔、地圖數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)）的存儲(chǔ)管理。

工程施工管控信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的中心，由基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)等特定數(shù)據(jù)組成。

工程施工管控信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)層包含支撐系統(tǒng)運(yùn)行的硬件設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。主要包括服務(wù)器、視頻監(jiān)控設(shè)備、衛(wèi)星定位設(shè)備、互聯(lián)用、物聯(lián)網(wǎng)等。

（三）系統(tǒng)主要功能

1、項(xiàng)目信息管理

將各個(gè)工程建設(shè)項(xiàng)目通過GIS進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程項(xiàng)目各分標(biāo)段信息的采集、瀏覽及詳細(xì)信息查看等功能。各個(gè)項(xiàng)目的管理人員根據(jù)其權(quán)限可在地圖上查閱各項(xiàng)目方位、項(xiàng)目基本信息、項(xiàng)目的分標(biāo)段信息、各分標(biāo)段的進(jìn)度形象圖片和視頻信息等。

2、人員機(jī)械定位信息

通過將衛(wèi)星定位設(shè)備與施工人員或者施工機(jī)械綁定，自動(dòng)實(shí)時(shí)記錄施工人員、施工機(jī)械的位置信息和行進(jìn)軌跡，并通過GIS在地圖上顯示，并通過記錄當(dāng)前位置和歷史軌跡，使管理人員直觀查詢各分標(biāo)段當(dāng)前或者歷史上投入的資源情況，有利于管理人員從另一個(gè)角度分析工程各分標(biāo)段、各階段的施工資源投入情況。

3、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控

將安裝視頻監(jiān)控設(shè)備的位置以圖標(biāo)方式GIS在系統(tǒng)中展示，授權(quán)用戶可查看視頻監(jiān)控設(shè)備在工程項(xiàng)目上的安裝部署情況。同時(shí)通過二次開發(fā)的監(jiān)控設(shè)備ActiveX控件與工程施工管控信息系統(tǒng)集成，授權(quán)用戶在系統(tǒng)中查找到視頻監(jiān)控設(shè)備后，單擊相應(yīng)的圖標(biāo)即可實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)畫面，也可遠(yuǎn)程操控設(shè)備進(jìn)行左右轉(zhuǎn)動(dòng)和遠(yuǎn)近推拉，從不同視角查看工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)形象。

4、后臺(tái)運(yùn)維管理

為配合工程施工管控信息系統(tǒng)的應(yīng)用，為系統(tǒng)管理員日常維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行而提供的配套管理功能。主要包括用戶管理、部門管理、系統(tǒng)角色管理、數(shù)據(jù)角色管理、項(xiàng)目管理、定位設(shè)備管理、視頻監(jiān)控設(shè)備管理、日志管理等。

三、物聯(lián)網(wǎng)各數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)方法

按照有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的分層概念，工程施工管控信息系統(tǒng)在感知層（數(shù)據(jù)采集層）、傳輸層、匯聚層、應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)方面，除了采用與傳統(tǒng)的管理信息系統(tǒng)相同的技術(shù)和處理方法外，還在人員機(jī)械定位信息、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控信息分別應(yīng)用了衛(wèi)星定位技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行信息自動(dòng)采集，利用通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸，并在前端利用GIS技術(shù)進(jìn)行信息展示。

（一）感知層（數(shù)據(jù)采集層）

人員機(jī)械定位信息主要采用基于衛(wèi)星定位技術(shù)的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)采集。這些設(shè)備包括智能手機(jī)APP、專門設(shè)計(jì)的電子標(biāo)簽、專門設(shè)計(jì)并且可安裝在安全帽上的定位終端等方式進(jìn)行。在實(shí)際應(yīng)用過程中，這幾種方式均可使用，也均被本系統(tǒng)支持，但這幾種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，感興趣的讀者可參閱相關(guān)文獻(xiàn)擇優(yōu)選用。

實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控信息主要采用市場(chǎng)占有率較高的監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行圖像采集，采集的圖像一方面可以供用戶實(shí)時(shí)查閱，另一方面也可以通過FTP等遠(yuǎn)程方式保存到指定的服務(wù)器中。

通常情況下，由于安裝在工程施工現(xiàn)場(chǎng)的感知層設(shè)備正常城市供電無法得到保障，因此必須在感知層解決設(shè)備的用電問題，通常有充電電池供電、太陽(yáng)能供電、風(fēng)力發(fā)電供電等方案可供選擇。經(jīng)過試驗(yàn)和探索，我們選擇用充電電池的方式為安裝在安全帽上的定位終端、視頻監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行供電。對(duì)于安全帽上的定位終端，設(shè)計(jì)了容量為400mAh可充電電池，并被直接置入終端中，充電4小時(shí)能保證定位終端正常工作7天左右。對(duì)于視頻監(jiān)控設(shè)備，配備了外置式的可充電電池和一套逆變器，兩塊電池交替為一個(gè)視頻監(jiān)控設(shè)備供電，每塊容量為60Ah，充電10小時(shí)能保證視頻監(jiān)控設(shè)備正常工作6—8小時(shí)。

（二）傳輸層

由于人員機(jī)械定位信息數(shù)據(jù)量小，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中可采用2G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。在人員機(jī)械定位信息的傳輸過程中，由于工程施工管控信息系統(tǒng)部署在企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi)，而通過感知層采集的信息一般無法直接穿過防火墻而保存到局域網(wǎng)的服務(wù)器中，只能保存在DMZ區(qū)的一個(gè)服務(wù)器中。因此為了簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)配置，系統(tǒng)建設(shè)過程中進(jìn)行了一點(diǎn)特殊的處理：選用一臺(tái)可訪問DMZ區(qū)（相當(dāng)于可訪問互聯(lián)網(wǎng)）服務(wù)器的局域網(wǎng)計(jì)算機(jī)，編寫一個(gè)PHP程序?qū)MZ區(qū)服務(wù)器上的衛(wèi)星定位信息讀出，再寫入局域網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)器中，同時(shí)將該程序添加到Windows的任務(wù)計(jì)劃中定時(shí)自動(dòng)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從互聯(lián)網(wǎng)到局域網(wǎng)的傳送。

由于視頻監(jiān)控信息數(shù)據(jù)量大，并且工程施工現(xiàn)場(chǎng)無法架設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)，因此在實(shí)際應(yīng)用中可采用4G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。在傳輸過程中，為了保證數(shù)據(jù)的安全性，實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控信息采用IPsec協(xié)議通過“VPN網(wǎng)關(guān)—VPN網(wǎng)關(guān)”的連接方式，與局域網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)器連接，此時(shí)只要將視頻監(jiān)控設(shè)備的IP地址配置成局域網(wǎng)內(nèi)的IP地址，用戶在工程施工管控信息系統(tǒng)即可直接進(jìn)行訪問。

當(dāng)視頻監(jiān)控設(shè)備在傳輸過程中無法采用IPsec協(xié)議通過“VPN網(wǎng)關(guān)—VPN網(wǎng)關(guān)”的連接方式時(shí)，此時(shí)可將歷史的視頻監(jiān)控信息通過FTP方式保存在DMZ區(qū)的一個(gè)服務(wù)器中，之后采用與人員機(jī)械定位信息相類似的方式，將數(shù)據(jù)從DMZ區(qū)服務(wù)器傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)內(nèi)的服務(wù)器中。

（三）匯聚層

不論是通過常規(guī)方式采集的項(xiàng)目信息、項(xiàng)目位置信息，還是通過物聯(lián)網(wǎng)采集的人員機(jī)械定位信息、視頻監(jiān)控信息，或者通過其他方式采集的GIS地圖信息，最終將都匯聚到局域網(wǎng)的服務(wù)器上，經(jīng)過在數(shù)據(jù)匯聚層進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)冗余清除、數(shù)據(jù)融合等處理后，最終向用戶進(jìn)行展示。

（四）應(yīng)用層

為了使用戶更為直觀地理解系統(tǒng)展示的對(duì)象（如人員、機(jī)械、視頻設(shè)備等）當(dāng)前所處的位置，同時(shí)便于了解這些對(duì)象的相對(duì)方位、測(cè)量對(duì)象之間的距離，有關(guān)項(xiàng)目位置信息、人員機(jī)械定位信息、視頻監(jiān)控信息等數(shù)據(jù)，全部實(shí)現(xiàn)在GIS地圖上進(jìn)行展示；用戶可以通過在地圖上直接單擊相關(guān)對(duì)象（如人員、機(jī)械、視頻監(jiān)控設(shè)備）的圖標(biāo)查閱相關(guān)屬性，瀏覽其運(yùn)動(dòng)軌跡或者實(shí)時(shí)視頻，也可以通過在GIS地圖上框選/圈選方式選擇一批對(duì)象，以表格方式列出這批對(duì)象的屬性；還可以采用常規(guī)信息系統(tǒng)的查詢過濾對(duì)象屬性（如名稱、所屬分標(biāo)段等）方式對(duì)相關(guān)對(duì)象進(jìn)行篩選，在篩選的結(jié)果中進(jìn)一步查閱特定的人員機(jī)械運(yùn)動(dòng)軌跡，或者特定視頻監(jiān)控設(shè)備的實(shí)時(shí)圖像。

此外，由于采用在GIS地圖展示對(duì)象，用戶還可以方便地利用GIS的固有特性，在地圖上查閱各個(gè)對(duì)象所在的行政區(qū)、與特定地理數(shù)據(jù)（如某個(gè)建筑物）的相對(duì)方向和距離。

四、結(jié)語(yǔ)

如何將日益成熟的物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星定位、視頻監(jiān)控、GIS等新興技術(shù)應(yīng)用于工程建設(shè)項(xiàng)目的施工管理工作中，l可以有效提高管理效率、節(jié)省差旅成本，正在得到越來越多的信息技術(shù)人員的關(guān)注和探索，筆者結(jié)合工程施工管控信息系統(tǒng)建設(shè)以及在多個(gè)工程建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹了系統(tǒng)的組成、主要功能、物聯(lián)網(wǎng)各數(shù)據(jù)層的實(shí)現(xiàn)方法，希望為大家拓展這些新興技術(shù)在工程建設(shè)項(xiàng)目管理中的應(yīng)用思路。

作者單位：中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司